变刚度调平设计理念在城市道路深厚软土地基处理中的应用

徐 敏，项伟圆

（华设设计集团股份有限公司苏州分公司，江苏 苏州 215007）

在交通、市政等领域的城市道路深厚软土地基处理中采用变形控制设计的理念越来越受重视。很多学者对基于变形控制复合地基的桩基布置、不均匀沉降变形、荷载传递、桩土间相互作用等进行多方面研究，得到了一系列成果[1]。城市道路的功能需求较多，高等级城市道路的横断面较宽，使横断面上的地质条件和各组成部分承担的荷载都有所不同。变刚度调平设计理念的基本思路是考虑地基、基础与上部结构的共同作用，对桩基布置及基础刚度分布进行调整，达到控制不均匀沉降的目的。文章依托苏州某新建城市主干路，通过研究城市道路横向上变刚度调平设计优化来达到控制差异沉降和减少投资规模、节约工程造价的目的。

1 变刚度调平设计优化思路

1.1 横断面上产生差异沉降的主要原因

（1）设计规范中有关道路横向容许工后沉降控制标准不明确。《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013）（以下简称《规范》）[2]中软基处理控制方法主要是控制道路纵向上的工后沉降（见表1），却忽略了横向上差异沉降的控制。由于道路横断面上荷载的差异，在地质条件较差的深厚软土地区，横向上易产生盆形沉降槽即道路中间沉降大、边缘沉降小，轻则造成路面不平整，严重时影响车辆行驶的安全。

表1 容许工后沉降 单位：m

（2）城市道路横向荷载分布的差异性。受道路横坡的影响，非机动车道和人行道部位填土高度比道路中心要低，如双向6车道的城市主干路，横坡为1.5%～2%，一般非机动车道及人行道部位的填土高度要比机动车道部位低30cm左右。同时，侧分带、非机动车道和人行道部位路基仅承担路堤静荷载，而机动车道部位除了承担静荷载，还要承担车辆动荷载。

（3）常规软基处理方案未考虑横向荷载分布差异。若采用等桩长和等桩间距布桩方式，虽然能减小总沉降，满足《规范》要求，但不能从根本上消除差异沉降，同时也不经济，不利于节约投资。

1.2 设计优化思路

此次研究结合建筑地基变刚度调平设计理念，考虑道路横向荷载分布差异性，从横向上对道路复合地基处理进行优化，主要思路是从横向上对桩长或桩间距进行调整，从而实现复合地基刚度的渐变。

2 工程案例

2.1 项目情况

苏州某道路按双向6车道城市主干道路设计，设计车速为60km/h，设计荷载按城-A级进行设计。道路红线宽度为60m，半幅道路布置为9m绿化带+3m人行道+4m非机动车道+3m侧分隔带+11m机动车道（见图1）。由于规划标高限制，该项目填土高度约为3m。

图1 道路横断面图（单位：m）

2.2 地质情况

该项目区属于长江三角洲太湖流域冲湖积平原区。项目区域内软土深度变化幅度大，总体工程地质条件差，层厚为2.4～25.5m，属于淤泥质粉质黏土，黏土呈灰黑色，流塑，主要物理力学性质见表2。

表2 主要物理力学指标表

3 模拟计算结果

文章选取路段位于桥头过渡段，该处道路填土高度约3.5m，考虑车辆荷载的影响，采用理正岩土分析软件5.6PB3进行计算分析。

3.1 未处理时沉降

从工后沉降盆形图（见图2）可以看出，道路中心的工后沉降为38.5cm，不满足《规范》要求，需要进行处理；侧分带部位存在明显的差异沉降，经计算，路拱横坡的工后增大值为（0.354-0.328）÷3.5=0.74%，参考《规范》中拼宽路基的相关要求，路拱横坡的工后增大值应小于0.5%，因此横断面方向上差异沉降也不满足《规范》要求[3]。

图2 未处理时工后沉降盆形图（单位：m）

3.2 常规处理方案的工后沉降

采用桩间距1.2m，桩长18m的双向水泥搅拌桩处理后，道路中心的工后沉降为14.9cm，能够满足《规范》要求；机动车道边缘与非机动车道部位存在明显的差异沉降，经计算，路拱横坡的工后增大值为(0.136-0.125)÷3.5=0.31%。从计算结果来看，处理后横向工后差异沉降满足《规范》要求。双向水泥搅拌桩处理后道路中心沉降较未处理时极大减少，横向差异沉降量也有所减小，说明双向水泥搅拌桩复合地基在控制沉降及控制横向差异沉降方面效果较好（见图3）。

图3 处理后工后沉降盆形图（单位：m）

3.3 变刚度调平优化设计后的工后沉降

优化设计思路分为两种，第一种方案为横断面方向上，桩长保持不变，机动车道部位桩间距不变，外侧人非系统桩间距逐渐增大，从而实现复合地基刚度的渐变；第二种方案为横断面方向上，横向桩间距不变，机动车道部位桩长不变，外侧人非系统桩长逐渐减小，从而实现复合地基刚度的渐变[4]。

（1）变桩长，等间距布置。机动车道采用桩间距1.2m，桩长18m的双向水泥搅拌桩处理；非机动车道及人行道部位采用间距1.5m布置，桩长维持不变。经计算，路拱横坡的工后增大值为0.015/3.5=0.43%，因此横向上差异沉降满足《规范》要求。

（2）等桩长，变间距布置。机动车道采用桩间距1.2m，桩长18m双向水泥搅拌桩处理；非机动车道及人行道部位维持间距1.2m布置，桩长调整为15m。经计算，路拱横坡的工后增大值为0.0154/3.5=0.44%，因此横向上差异沉降满足《规范》要求。

方案比选见表3。从比选结果来看，两种变刚度调平优化设计方案均满足《规范》要求，可节约11%～14%的布桩量，极大程度地节约了投资。

表3 方案比选表

4 结论

（1）变刚度调平设计满足相关设计《规范》要求，使横断面上沉降差异更趋于平均，路基整体协调性更好。

（2）变刚度调平设计可取得较好的经济效益，与常规设计方案相比，可减少11%～14%的布桩量；采用变刚度复合地基处理后，由于用桩量的减少，可以节约工程造价，经济效益显著。